電動汽車永磁同步電機工況仿真分析

Simulation and Analysis of the Operating Conditions of PMSM on Electric Vehicle

趙　鋼　成丁雨

(天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點實驗室，天津　300384)

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電動汽車永磁同步電機工況仿真分析

Simulation and Analysis of the Operating Conditions of PMSM on Electric Vehicle

趙鋼成丁雨

(天津理工大學(xué)天津市復(fù)雜控制理論與應(yīng)用重點實驗室，天津300384)

摘要：永磁同步電機因其優(yōu)越的特性可以作為電動汽車的驅(qū)動電機。為了測試電機運行過程中不同工況的性能，對永磁同步電機數(shù)學(xué)模型、控制策略進行了分析,并根據(jù)永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型設(shè)計了電機控制方案。在Matlab/Simulink仿真平臺上，構(gòu)建了永磁同步電機轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)控制系統(tǒng)，在不同的運行工況下對系統(tǒng)進行了仿真。仿真結(jié)果驗證了在不同工況下永磁同步電機具有良好的動、靜態(tài)特性。 是現(xiàn)代科技論文的必要附加部分，只有極短的文章才能省略。它是幫助讀者從浩瀚的信息海洋中能較快、較準(zhǔn)地找到他們所需要的科技信息的一種有效工具。摘要一般置于作者及其工作單位之后、關(guān)鍵詞之前。

關(guān)鍵詞：永磁同步電機電動汽車電機工況電機控制電機模型脈寬調(diào)試零排放電磁轉(zhuǎn)矩

Abstract：Permanent magnet synchronous motor (PMSM) can be used as the drive motor of electric vehicle because of its superior characteristics,in order to test its performance under different operating conditions,the mathematical model and control strategy of PMSM are analyzed,and the motor control strategy in accordance with the mathematical model is designed.The dual closed-loop control system for the rotating speed current of PMSM is established on Matlab/Simulink simulation platform,and the system is simulated under different operating conditions.The results of simulation verify that the PMSM possesses excellent dynamic and static performances under various operating conditions.

Keywords:PMSMElectric vehicleOperating condition of motorMotor controlMotor modelPWMZero emission

Electromagnetic torque

0引言

當(dāng)今能源危機和環(huán)境污染越來越引起大家關(guān)注，電動汽車以其零排放、無污染的特點，具有廣闊的發(fā)展前景。而電機作為電動汽車動力系統(tǒng)的核心，其控制技術(shù)是電動汽車關(guān)鍵技術(shù)之一。電機的控制性能直接影響了電動汽車的整體性能，因此，電機的控制技術(shù)已成為電動汽車的研究熱點[1]。

電動汽車運行工況非常復(fù)雜，包括從汽車啟動到勻速運行，再到剎車制動以及高低速行駛等各種復(fù)雜的運行要求，而且，電動汽車的負(fù)載和其所處的路況有著密切的關(guān)系，例如上坡、下坡、加速、減速等，這就需要分析在不同工況下轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩的關(guān)系。因此電動汽車電機控制系統(tǒng)需要達(dá)到的目的就是獲得高性能電機轉(zhuǎn)矩和轉(zhuǎn)速的控制，從而達(dá)到電動汽車在運轉(zhuǎn)過程中的控制要求。為了使電動汽車平穩(wěn)可靠地運行，電機控制系統(tǒng)需具有精度高、響應(yīng)快、轉(zhuǎn)矩脈動小等特點，使電機輸出平穩(wěn)的電磁轉(zhuǎn)矩，從而獲得良好的調(diào)速性能。

1系統(tǒng)仿真模型建立

根據(jù)矢量控制策略[2]的基本思想：通過坐標(biāo)變換的方法，可以將永磁同步電機的數(shù)學(xué)模型等效為直流電機模型，實現(xiàn)電機的數(shù)學(xué)模型解耦。通過控制器的設(shè)計，對電機交軸電流和直軸電流分別進行控制，使永磁同步電機具有直流電機的調(diào)速特性。本文采用電流轉(zhuǎn)速雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)，根據(jù)基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制的基本原理構(gòu)建永磁同步電機控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖[3]，如圖1所示。

在三相坐標(biāo)系上的定子交流電流iA、iB、iC，通過3/2 變換將三相靜止坐標(biāo)系轉(zhuǎn)換到兩相靜止的正交坐標(biāo)系，從而得到α-β坐標(biāo)系下的兩相電流isα、isβ;再通過與轉(zhuǎn)子磁鏈的同步旋轉(zhuǎn)變換，可以得到旋轉(zhuǎn)正交坐標(biāo)系上的直流電流id和交軸電流iq[4]。這樣經(jīng)過Clark變換、Park變換就實現(xiàn)了定子電流兩個分量的解耦。根據(jù)PMSM的數(shù)學(xué)模型對轉(zhuǎn)速電流控制器進行設(shè)計，對id和iq進行控制，得到期望輸出，經(jīng)過Park逆變換和SVPWM得到PWM信號，進而控制功率開關(guān)管的導(dǎo)通順序，使電機穩(wěn)定運行[5]。

根據(jù)圖1所示控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖，在Matlab/Simulink中搭建電機控制系統(tǒng)。圖1中，F(xiàn)BS表示電機轉(zhuǎn)子速度位置反饋信號檢測。整個系統(tǒng)主要包括PMSM、三相逆變器、轉(zhuǎn)速電流調(diào)節(jié)器、坐標(biāo)變換模塊以及SVPWM調(diào)制模塊，其中電機、逆變器直接在Simulink 中調(diào)用相應(yīng)的模型，控制器采用PI控制。系統(tǒng)需要根據(jù)電機模型進行設(shè)計，搭建坐標(biāo)變換和SVPWM模塊[6]。

圖1　矢量控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

本設(shè)計選擇的PMSM額定功率為 28 kW，額定轉(zhuǎn)矩為 130 N·m，額定電流為 52 A，轉(zhuǎn)矩常數(shù)為 2.5 Nm/A，轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)動慣量為 28.5 kg·m2，額定電壓為 333 V，相電阻為 0.05 Ω，相電感為1 mH，反電動勢為149 V/(krad·min-1)。根據(jù)電機參數(shù)以及電機調(diào)速系統(tǒng)動態(tài)結(jié)構(gòu)圖，對電流控制器和轉(zhuǎn)速控制器進行設(shè)計。在Simulink 中構(gòu)建完整的電機控制系統(tǒng)，如圖2所示。

圖2　永磁同步電機矢量控制系統(tǒng)仿真模型

2永磁同步電機仿真分析

2.1啟動特性仿真

電動汽車的首要性能就是啟動特性。首先，考慮極限狀況，轉(zhuǎn)速給定突加 2 000 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為100 N·m，觀察電機轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩特性。在0.2 s負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?50 N·m，觀察電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形變化，如圖3 所示。

由仿真波形可知，電機轉(zhuǎn)矩響應(yīng)基本上突變?yōu)橄薹?，在恒轉(zhuǎn)矩的條件下，轉(zhuǎn)速上升時間為0.06 s，超調(diào)量小于2%。因此，電機啟動轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快，滿足系統(tǒng)要求指標(biāo)。在負(fù)載轉(zhuǎn)矩變化時，轉(zhuǎn)矩迅速超調(diào)，轉(zhuǎn)速波動小于5%，且迅速跟隨給定值，保證轉(zhuǎn)速不受影響，最終轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩保持穩(wěn)定。

圖3　啟動工況波形

仿真結(jié)果表明，電機控制系統(tǒng)啟動性能達(dá)到要求，抗擾性能好。

2.2制動特性仿真

電動汽車在運行過程中經(jīng)常會發(fā)生頻繁的制動工況，良好的制動性能是電動汽車一個重要的指標(biāo)。制動性能的好壞甚至關(guān)系到人身安全問題，所以系統(tǒng)更需要良好的制動性能。首先，轉(zhuǎn)速給定突加2 000 r/min，負(fù)載轉(zhuǎn)矩為100 N·m，在0.2 s 負(fù)載轉(zhuǎn)矩突變?yōu)?50 N·m，0.3 s突加制動信號，使轉(zhuǎn)速給定為0，觀察電機轉(zhuǎn)速、轉(zhuǎn)矩波形變化，如圖4所示。

圖4　制動工況波形

由仿真波形可知，電機制動時，電機電磁轉(zhuǎn)矩迅速反向，電機轉(zhuǎn)速在0.02 s內(nèi)下降為0，且超調(diào)量小于5%，說明轉(zhuǎn)速轉(zhuǎn)矩響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，可以可靠地實現(xiàn)制動功能。仿真結(jié)果表明，電機控制系統(tǒng)的制動性能達(dá)到系統(tǒng)要求，抗擾性能好。

運用SVPWM控制算法控制三相逆變橋功率管的導(dǎo)通順序，使得輸出的電壓矢量為正六邊形，得到旋轉(zhuǎn)磁鏈圓[8]。假設(shè)旋轉(zhuǎn)磁場逆時針方向為正方向，則順時針為制動和反轉(zhuǎn)方向。由于不方便觀察磁鏈的旋轉(zhuǎn)方向，所以從磁鏈圓和空間矢量輸出的仿真結(jié)果無法看出電機是否處在制動過程，但是可以從三相定子電流的相位變化中得到空間矢量輸出以及磁鏈圓反轉(zhuǎn)的信息。電機穩(wěn)定運行時，空間矢量以及磁鏈圓三相定子電流是相互對應(yīng)的，這時ABC三相電流相差120°，如果三相電流相序發(fā)生變化，則表明磁鏈圓旋轉(zhuǎn)方向發(fā)生變化，即電機處于制動工況。三相電流相位變化仿真圖如圖5所示。由仿真結(jié)果可知，在制動信號發(fā)出后，電機三相電流相序顛倒，進行制動。

圖5　制動電流波形

2.3基本工況運行仿真

電動汽車在運行過程中最基本的工況要求就是前進、加減速、剎車、倒車等，要完成這些工況本質(zhì)上就是要實現(xiàn)電機的四象限運行，即實現(xiàn)電機正向電動、制動和反向電動等要求。因此對電機進行四象限運行仿真驗證。

電機負(fù)載轉(zhuǎn)矩為恒轉(zhuǎn)矩100 N·m，0.3 s后突變?yōu)?50 N·m，轉(zhuǎn)速給定為1 000 r/min，0.2 s 突變?yōu)? 000 r/min，0.4 s 轉(zhuǎn)速給定突變?yōu)?，0.5 s突變?yōu)?1 000 r/min，在速度給定和轉(zhuǎn)矩給定下驗證電機運行狀況，仿真結(jié)果如圖6所示。

圖6　基本工況運行波形

由轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速波形可知，電機可以實現(xiàn)多種工況下的穩(wěn)定運行，而且轉(zhuǎn)矩轉(zhuǎn)速響應(yīng)速度快，穩(wěn)定運行時靜差范圍在5%以內(nèi)，符合設(shè)計要求。由此可以驗證永磁同步電機可以實現(xiàn)基本工況運行，并且可以達(dá)到設(shè)計要求。

由SVPWM 控制思想[9]可知，控制開關(guān)管導(dǎo)通順序是為了在電機三相繞組中產(chǎn)生旋轉(zhuǎn)磁場，空間矢量輸出為正六邊形，磁鏈波形為一組同心圓，半徑由轉(zhuǎn)速決定。而這種情況表現(xiàn)在電機三相定子電流上是三相互差120°的正弦波，幅值與負(fù)載轉(zhuǎn)矩成正比，頻率與轉(zhuǎn)速成正比。電機三相電流波形圖如圖7所示。

圖7　基本工況電流波形

由永磁同步電機轉(zhuǎn)矩方程[10]可知，采用id= 0控制時，轉(zhuǎn)矩與iq成正比，id、iq波形圖如圖8所示。同時由電磁轉(zhuǎn)矩與交軸電流iq之間呈線性關(guān)系可知，當(dāng)電機處于電動狀態(tài)下，iq與電磁轉(zhuǎn)矩為正，轉(zhuǎn)速上升；當(dāng)電機處于制動和反轉(zhuǎn)時，iq電流和轉(zhuǎn)矩變?yōu)樨?fù)值，此時轉(zhuǎn)速也開始下降或反轉(zhuǎn)。

圖8　交直軸電流波形

3結(jié)束語

本文對永磁同步電機在d-q坐標(biāo)系下數(shù)學(xué)模型進行分析，采用基于轉(zhuǎn)子磁鏈定向的矢量控制策略，采用轉(zhuǎn)速電流雙閉環(huán)的控制結(jié)構(gòu)、控制電機直軸電流id=0的控制算法，構(gòu)建電動汽車控制系統(tǒng)。在Matlab/Simulink 仿真平臺下搭建電機控制系統(tǒng)仿真，并對電機運行工況進行分析。通過仿真，對電動汽車驅(qū)動系統(tǒng)不同工況下的啟動性能、調(diào)速性能、制動性能以及四象限運行進行驗證，得到仿真結(jié)果與理論分析結(jié)果相符。

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中圖分類號：TH86;TP273

文獻標(biāo)志碼：A

DOI:10.16086/j.cnki.issn1000-0380.201602002

修改稿收到日期：2015-04-27。

第一作者趙鋼(1962-)，男，1984年畢業(yè)于天津大學(xué)冶金分校自動化專業(yè)，獲學(xué)士學(xué)位，教授；主要從事永磁同步電機驅(qū)動技術(shù)、電動汽車電池管理等方向的研究。